3D打印技术在创伤骨科临床病例教学中的应用

王建卫 李冰浩

3D 打印技术出现于20 世纪80 年代，其主要原理是通过“分层打印、逐层叠加”的原理，通过二维影像构建三维实体产品。3D 打印技术问世以来，被广泛应用于医疗、航天、军工、工业设计等行业。近年来，3D 打印技术在骨科中的应用广受关注，被多项研究[1-5]证明其在骨科疾病诊断、手术规划、术中导航模板、内置物定制中具有积极作用，但其在创伤骨科临床病例教学中的应用实践和效果评价尚不多见。本研究拟以浙江大学医学院附属第二医院骨科创伤专业组进行临床学习的医生或医学生为研究对象，探索3D 打印技术在创伤骨科临床病例教学中的应用效果和积极意义。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019 年9 月—2021 年9 月在浙江大学医学院附属第二医院骨科创伤专业组进行临床学习的骨科学硕士研究生、博士研究生及轮转的骨科学规范化培训住院医师118 名，均为男性，年龄22～33 岁，平均（27.13±3.57）岁。其中硕士研究生43 名，博士研究生19 名，规培住院医生56 名。纳入标准：（1）研究对象在骨科临床学习或轮转的时间均不少于3 个自然月。（2）知情同意参加该项研究。排除标准：（1）近期参加骨科其他关于3D 打印临床病例教学的研究项目者。

1.2 方法

在研究对象临床学习或轮转期间，由同1 名骨科带教老师在2 个自然月内连续开展2 次骨科创伤病例教学课程（非重复病例）。为确保研究对象的学习公平性，两次课程选取相似难度的复杂骨折病例进行教学。前一次课程采用传统病例教学课程，带领学员了解患者病例资料、查体、查看辅助检查结果，并进行术前讨论。后一次课程在传统模式的基础上，引入3D 打印技术，根据病例创伤部位的薄层CT 扫描数据利用Elite CtrlSys 软件建立3D 模型，使用3D 打印机（激光烧结3D 打印机S260，上海盈普三维打印）打印制作实体模型。学员可通过打印的实体模型及其辅助软件模拟创伤类型、理解骨折损伤机制，利用模型制定手术方案、模拟手术固定方式并动态调整内固定位置。

1.3 观察指标

两次病例教学课程后均进行随堂测试，3D 打印病例教学课程结束后发放调查问卷。

病例教学课程随堂测试内容包括患者的受伤机制、骨折类型与国际分型、骨折断端与血管神经的位置关系、手术切口设计与入路选择、固定方式的选择和内固定位置等5 个模块。测试为单模块百分制，通过测试分数比较同一研究对象在完成传统病例教学和3D 打印病例教学课程后对病例骨折创伤的掌握程度。

调查问卷内容包括基本信息和对3D 打印病例教学课程在理解病例骨折情况、辅助病例手术方案设计、骨科手术理解程度、病例教学学习兴趣、骨科临床工作兴趣和骨科理论知识水平等方面的效果评价。效果评价采用四分法，分为非常同意、比较同意、说不清、不同意。

1.4 统计学方法

本研究采用Epidata 3.1 对数据进行录入，采用SPSS 21.0 统计学软件进行统计分析。计数资料以n（%）表示，行χ2检验，计量资料以（）表示，行t检验，P＜0.05则差异有统计学意义。

2 结果

2.1 骨科病例教学随堂测试结果比较

研究对象在参加传统病例教学课程和3D 打印病例教学课程后分别接受随堂测试。结果表明，研究对象在“骨折类型与国际分型”“手术切口设计与入路选择”“固定方式的选择和内固定位置”三个模块的测试结果存在统计学差异，3D 打印病例教学课程的测试平均分数均高于传统病例教学课程，差异有统计学意义（P＜0.05），而研究对象在“受伤机制”“骨折断端与血管、神经的关系”模块的测试结果差异无统计学意义（t=1.37，P=0.173），见表1。

表1 骨科病例教学随堂测试结果（分，）

表1 骨科病例教学随堂测试结果（分，）

2.2 3D 打印病例教学效果评价

研究对象对3D 打印病例教学进行效果评价结果显示，分别有97.46%（115/118）、94.92%（112/118）、98.31%（116/118）、92.37%（109/118）和94.07%（111/118）的研究对象认为3D 打印病例教学有助于辅助理解病例骨折情况、有助于辅助病例手术方案设计、有助于提高骨科手术理解程度、有助于提高病例教学学习兴趣及有助于提高骨科临床工作兴趣。但仅有45.76%的研究对象认为3D打印病例教学有助于提高骨科理论知识水平。

3 讨论

3D 打印技术是源于20 世纪80 年代的一类新兴技术，其原理主要由“分层制造”和“逐层叠加”构成，通过3D 打印机分层打印，在精确地进行逐层叠加，最终形成具有三维结构的物品，即3D 打印模型。3D 打印技术问世后，人们逐渐意识到其在医学领域、特别是骨科手术中的重要意义[6]。随着医学技术的不断发展，人们越来越关注医学治疗的个体化、精确化，3D 打印技术为骨科手术的个体化和精确化提供了可能[6-7]。在手术前，3D打印模型能协助医生更直观地认识病情、更合理地畸形术前规划、模拟术中操作；在手术中，导航模板的应用能协助医生精准复位骨折部位，确定骨折畸形愈合矫形截骨的大小、角度并确定钉道的位置；对于有植入假体需求的患者，3D 打印技术支持定制个体化假体，理论上个体化内置物可完全拟合患处的解剖结构，达到良好的稳定性，促进骨长入，延长假体的寿命，同时可减少附近骨性结构的破坏；此外，3D 打印技术尝试将生物细胞与组织支架联合打印，实现个体化组织器官的制造，3D打印生物组织器官成为可能，为骨科手术未来发展提供了更多的可能性[8-9]。

表2 3D 打印病例教学效果评价

随着3D 打印技术在骨科手术中的广泛应用，逐渐有学者注意到了其在骨科教学中的优势，并试验性地应用到骨科专业医师或者实习医学生的培训中来[10]。既往研究中，部分学者将3D 打印技术应用到骨科影像[11]、骨肿瘤[12]、膝关节置换[13]、脊柱畸形[14]等临床教学中，但在复杂骨折等创伤骨科的临床教学中尚不多见。本研究即以创伤骨科复杂骨折为病例蓝本，研究3D 打印技术在骨科临床教学中是否有积极影响。此外，既往研究[15-17]基本采用病例对照研究方法，将医生或医学生随机分为实验组与对照组，两组采用不同的教学模式；为确保研究对象临床教学课程的公平性，本研究创新性地采用了同一研究对象接受两种不同教学课程，评价教学效果，具有一定的新颖性和独创性。

本研究表明，在引入3D 打印技术后，研究对象在临床教学随堂测试中对“骨折类型与国际分型”模块的掌握度有显著提升。这可能与3D 打印技术能够直接制造出相应的骨折模型，极大丰富了学员通过二维图像获取的骨折信息，使得学员能够直观感受骨折特性、理解骨折局部形态和位置关系、从整体上把握骨折范围和空间形态，同时显著降低了骨折分类在观察者间变异性的程度[3]，有助于学员对骨折类型作出正确判断有关。李明等[18]在西安交通大学医学院附属红会医院对6 名青年创伤骨科医生进行研究后发现，3D 打印技术在髋臼骨折分型及年轻医生培养中具有积极意义，应用3D 打印实体模型较传统影像学资料能够有效提高医生对髋臼骨折分型的可靠性，该影响在年轻医生中尤为显著。李明等[18]的研究结果与本研究类似，证明3D 打印教学方法在一定程度上能够提高医生尤其是年轻医生对于骨折类型和国际分型的理解程度。除客观测试外，在本次研究对象的教学效果评价中，97.46%的学员认为3D 打印病例教学有助于辅助理解病例骨折情况，也进一步佐证了这一研究结果。

同时，引入3D 打印技术教学后，研究对象对“骨折断端与血管神经的位置关系”模块的掌握度也有显著提升。在传统骨科临床教学实践中，初学者在术前对骨折断端与血管神经的位置关系的理解一直是教学难点[19]。学员根据传统影像学资料难以准确判断血管神经的相对位置、形成空间想象，教学效果长期难以突破。3D 打印技术的引入有效地解决了这一难题，显著提升了该模块的教学效果。高鹏等[20]在北京协和医院对42 名在骨科进行规范化培训的外科住院医师及实习医师进行研究时发现，接受了3D 打印技术级VR 技术教学的研究对象在客观评估的“神经血管标识”模块得分远高于对照组，表明3D 打印技术在重度下肢畸形矫正临床教学中有积极意义，对本研究的研究结果也有一定的参考价值。但李明等[18]在研究中也发现，目前的3D 打印模型无软组织附着，无法真实再现肌肉、血管和神经的走形和分布，尚有不小的完善发展空间，也对3D 打印技术在骨科临床教学中的应用提出了更高的要求。

在本次研究中，“手术切口设计与入路选择”和“固定方式的选择和内固定放置的部位”作为两项判断骨科医生临床能力的重要依据，也被纳入了随堂测试中。研究结果表明，在引入3D 打印技术教学后，学员对于上述两个模块的掌握程度也有显著提升。在实际教学中，学员可利用3D 打印模型了解各方向的骨折粉碎情况，直观观察骨折线走行，更能准确选择单一切口或者多切口手术复位入路[21]。此外，在明确骨折碎块分布后，带教医生和学员都可在模型上反复进行操作，选择内固定材料并模拟各个手术固定材料植入后的复位固定情况，学员对固定方式选择和放置位置有全面的了解。在3D打印病例教学的效果评价中，分别有94.92%和98.31%的学员认为3D 打印技术有助于辅助病例手术方案设计和提高骨科手术理解程度，该结论也进一步证明了教学的有效性。毛炳焱等[22]在对长沙医学院附属石门医院骨科的实习医学生进行研究时发现，应用3D 建模打印技术构建骨折模型结合PPT 讲授，能明显提高实习医学生对创伤骨折病例的手术入路选择和内固定选择方式的理解和掌握，效果良好，该结果与本研究结果一致。此外，毛炳焱等[22]在研究中还发现，3D 打印技术建立的骨骼模型使得创伤骨科教学工作更具可操作性，可有效加强教师与学员的互动、增加学员实习动手能力，从而激发学员对创伤骨科知识的学习热情。而在本研究中，研究对象在3D 打印教学评价时，均有超过的九成的学员认为3D 打印技术的引入有助于提高病例教学学习兴趣和骨科临床工作兴趣，这一结论也进一步证明了3D 打印技术对骨科临床教学具有积极作用。无独有偶，李曙明等[23]在西安交通大学医学部第一附属医院对七年制和八年制临床骨科研究生进行研究时发现，学员可通过3D 打印模型，精准测量患者脊柱畸形的病变位置，选择合适的手术入路，特别是选择合适的椎弓根螺丝进钉点、螺丝直径及长度、植入角度和深度；同时通过3D 模型在术前预选内固定种类并重建外形，进行预手术操作，教学效果良好，大大提高了教学效率。该研究的结论也在一定程度上证明了3D 打印技术在骨科临床教学中的积极影响，特别是对年轻医生手术能力的提升有重要意义。

综上，在骨科临床教学中引入3D 打印技术能够有效地提高学员在骨折类型、血管神经位置判断、手术入路选择、手术固定方式及内固定放置等模块的掌握程度，并能激发年轻医生对于临床教学的学习热情，在年轻医生中的认可度很高，具有较大的积极意义。同时，3D 打印技术在临床教学中的应用尚存在一定的短板：如3D打印单次建模价格较高，骨科临床教学成本会大幅增加；目前的3D 模型无法真实再现肌肉血管和神经的走形和分布等，学员理解尚有一定困难；3D 打印教学需要多领域学科配合，需要带教医生和学员有一定的组织工程和生物材料学科知识等。但随着3D 打印技术的不断发展，打印成本不断下降、打印操作不断简化，将在骨科临床教学中得到更广泛的应用。